24、太阳能光伏系统的电压稳定性与热特性研究

太阳能光伏系统的电压稳定性与热特性研究

1. 研究背景与目标

在全球能源格局中，可再生能源的地位日益重要。预计到2024年，可再生能源将占世界能源消耗的30%，其中太阳能的份额不断增加。太阳能不仅是绿色能源的重要来源，也是减少碳足迹的有效途径。目前，全球对太阳能阵列安装的需求呈指数级增长，预计到2050年将占能源的45 - 50%。

本研究聚焦于两个关键方面：一是光伏 - 电网互联系统的电压稳定性，旨在开发优化的电力管理方案，提高系统的效率、可靠性和电能质量；二是太阳能光伏热流的可视化，以更好地监测和分析太阳能系统的性能。

2. 光伏 - 电网互联系统研究

2.1 研究方法

• 资源评估 ：马来西亚能源委员会公布了一些大型太阳能光伏（LSSPV）项目的选址。在资源评估阶段，模拟这些选址的位置和出口容量，收集辐照度、太阳路径、土地可用性、能源消耗、标称功率和能源成本等数据。随后将数据传输到PSS SINCAL进行潮流分析，以确定年度最大能源产量。例如，登嘉楼的马朗和吉打的瓜拉木达的太阳路径数据显示，马朗在年底由于季风季节，辐照度会降低，这在设计太阳能农场时需要考虑。
• 电力管理方案开发 ：提供工业级工具来分析和规划太阳能系统等电器设备。该工具可实现电力规划、太阳能系统与国家电网的联网，以及潮流分析，帮助用户分析电力系统的运行情况，如母线电压分布、无功功率流动和电力系统损耗等。
• 9 - 母线拓扑潮流分析与FACTS集成 ：潮流分析用于确定特定元件的状态，确保电力系统中的每个发电机在最佳运行点运行。通过研究母线拓扑，实现对电压分布变化和稳定性的研究。将灵活交流输电系统（FACTS）集成到IEEE 9 - 母线拓扑中，以优化系统性能。例如，设计的9 - 母线拓扑包含9条母线、3台发电机和3个负载，通过精确的数据和分析，实现了最小电压损失的电压分布。
• ** contingency分析**：用于预测电力系统未来可能出现的故障或失效，提供可靠性检查和纠正措施，以进行未来的规划和运营。通过评估新值（Vw、VpiTV、VpiTI），确保9 - 母线拓扑电力系统能够承受相应的限制。

名称	键	编号	所有位置	Vw	VpiTV	VpiTI
2T34	1	7	1	-100	233.276	14.274
2T33	2	7	2	-85.694	232.74	14.267
L35	3	7	3	-42.778	46.59	10.258
…	…	…	…	…	…	…

2.2 研究结果与讨论

• FACTS的实施效果 ：模拟结果以电压分布和距离的图表形式呈现。与未实施FACTS的情况相比，FACTS的实施显著提高了整体电压分布。例如，在母线2、8和9处，FACTS将电压分布平均损失降低了5%。此外，FACTS还能防止母线电压因9 - 母线拓扑发电机的无功吸收而出现显著偏差，提供电压支持，提高交流电网的可控性和功率传输能力，防止级联停电。

graph LR
    A[未实施FACTS] --> B[电压分布大幅下降]
    C[实施FACTS] --> D[电压分布提高]
    D --> E[降低电压损失]
    D --> F[提高电网可控性]
    D --> G[防止级联停电]

• ** contingency分析的实施效果**：通过研究获得的值可用于分析系统的潮流和理解网络行为。当9 - 母线拓扑电力系统出现故障或停电时，这些值能提供纠正措施，使系统达到安全区域。例如，图5显示了带有FACTS和LSS的9 - 母线拓扑的ISO区域，绿色表示标准运行电压和运行范围，红色表示由于负载母线导致的临界范围。

3. 太阳能光伏热流可视化研究

3.1 研究目标

设计和开发合适的传感系统来测量太阳能光伏的温度，通过各种插值技术处理数据以生成热分布，使用合适的可视化工具重建热图像。实验工作旨在确定热敏电阻的最佳位置和插值算法，并使用热枪进行结果验证。

3.2 研究方法

• 传感系统设计 ：设计合适的传感系统来测量太阳能光伏的温度，收集温度数据。
• 插值技术应用 ：使用不同的插值技术（如最近邻插值和双三次插值）处理温度数据，生成热分布。
• 热图像重建 ：使用MATLAB创建图形用户界面（GUI），在多节点传感机制下以不同分辨率生成和可视化热分布。

3.3 研究结果

结果表明，最近邻插值比双三次插值提供了更准确的温度读数，近似误差差异为0.00596。使用热枪验证结果时，双三次插值产生的温度读数范围比最近邻插值高，百分比精度读数差异为0.5462%。

4. 研究结论

• 光伏 - 电网互联系统 ：本研究成功开发了光伏 - 电网互联系统的电力管理方案，通过无功功率补偿方案提高了系统的效率、可靠性和电能质量。确定了最佳母线配置，符合马来西亚电网代码标准，实现了系统的最小损失。FACTS的实施显著提高了电压分布性能，平均提高至少5%。此外， contingency分析有助于检测电力系统组件的故障，为未来规划和运营提供纠正措施。
• 太阳能光伏热流可视化 ：设计的可视化工具和插值技术为太阳能光伏系统的实时状态监测提供了有效的方法。最近邻插值在温度测量方面表现更优，有助于更好地分析温度数据、识别热流模式，并使制造商能够对常见故障快速采取行动。

未来，马来西亚的大型太阳能项目可以借鉴本研究的成果，实现更优化的电力管理方案，同时推动太阳能和可再生能源相关项目的发展，以应对气候变化和满足世界能源挑战。

太阳能光伏系统的电压稳定性与热特性研究

5. 光伏 - 电网互联系统研究的深入剖析

5.1 资源评估的重要性与挑战

资源评估是光伏 - 电网互联系统研究的基础环节。准确收集辐照度、太阳路径等数据，对于确定太阳能农场的最佳选址和设计至关重要。然而，这一过程也面临诸多挑战。例如，天气条件的变化会对辐照度产生显著影响，像登嘉楼的马朗在季风季节，由于降雨频繁，太阳能农场的效率会降低。因此，在资源评估时，需要长期的数据监测和分析，以全面了解当地的气候特点。
| 影响因素 | 具体表现 | 应对措施 |
| ---- | ---- | ---- |
| 天气变化 | 季风季节辐照度降低 | 数据长期监测，设计时预留余量 |
| 地理位置 | 靠近海边受海洋气候影响 | 考虑当地气候特点进行设计 |

5.2 电力管理方案的优势与拓展

工业级的电力管理工具为太阳能系统的分析和规划提供了强大支持。它不仅能实现基本的电力规划和联网功能，还能进行潮流分析，确保电力系统在各种情况下稳定运行。在未来，可以进一步拓展该工具的功能，例如增加对新能源存储设备的支持，实现更高效的能源管理。

graph LR
    A[现有电力管理工具] --> B[电力规划]
    A --> C[联网功能]
    A --> D[潮流分析]
    B --> E[优化电网连接]
    C --> F[实现稳定联网]
    D --> G[确保系统稳定]
    A --> H[拓展功能：支持新能源存储]
    H --> I[实现高效能源管理]

5.3 9 - 母线拓扑潮流分析与FACTS集成的优化方向

虽然将FACTS集成到9 - 母线拓扑中已经取得了显著的效果，但仍有优化的空间。例如，可以进一步研究FACTS的最佳安装位置和参数设置，以实现更高的电压稳定性和功率传输能力。同时，可以结合人工智能算法，对潮流进行实时预测和优化，提高系统的响应速度和适应性。

6. 太阳能光伏热流可视化研究的应用前景

6.1 实时监测系统的构建

基于研究结果，可以构建太阳能光伏系统的实时监测系统。通过合适的传感系统和插值技术，实时获取太阳能光伏的温度信息，并通过可视化工具进行展示。这样，运维人员可以及时发现系统中的异常温度点，提前采取措施，避免故障的发生。
| 系统组成 | 功能 |
| ---- | ---- |
| 传感系统 | 测量温度数据 |
| 插值技术 | 处理数据生成热分布 |
| 可视化工具 | 展示温度信息 |

6.2 对太阳能光伏制造的影响

可视化技术的应用可以帮助太阳能光伏制造商更好地了解产品的热特性。通过分析热流模式，制造商可以优化产品设计，提高产品的效率和可靠性。例如，针对常见的热点问题，可以改进电池布局和散热设计，减少热点的产生。

6.3 行业推广与标准化

该研究成果具有良好的行业推广价值。可以将其应用于更多的太阳能光伏项目中，提高整个行业的监测和管理水平。同时，有必要推动相关的标准化工作，制定统一的温度测量和热流分析标准，促进太阳能光伏行业的健康发展。

7. 综合展望

太阳能光伏系统的电压稳定性和热特性研究对于推动太阳能能源的广泛应用具有重要意义。在光伏 - 电网互联系统方面，持续优化电力管理方案和FACTS技术，能够提高电网对太阳能能源的接纳能力，实现能源的高效利用。在太阳能光伏热流可视化方面，进一步完善监测系统和可视化技术，有助于提高太阳能光伏系统的可靠性和性能。

未来的研究可以朝着多学科融合的方向发展，结合材料科学、电子工程等领域的知识，开发更高效的太阳能光伏材料和设备。同时，加强国际合作，共同应对气候变化和能源挑战，推动全球太阳能能源产业的可持续发展。通过不断的研究和创新，太阳能光伏系统将在未来的能源格局中发挥更加重要的作用。